全电推进卫星

传统上,通信卫星在进入轨道的时候,它的体重里有很大一部分是远地点发动机和姿态、轨道控制系统的燃料。例如著名的美国波音公司702-HP平台,在它基础上制造出来的加拿大Anik F-1卫星,发射重量大约是4710千克左右,而进入静止轨道开始工作时只剩下了3015千克,为从转移轨道进入静止轨道而消耗掉的燃料达1695千克。世界上所有通信卫星运营商都要为这部分燃料的发射支付高额费用。远地点发动机要靠这些燃料把卫星从同步转移轨道推入静止轨道,姿轨控分系统要靠这些燃料实现卫星工作期间的南北和东西方向位置保持,而燃料所需要的储罐、管道、阀门、控制机构异常精密而复杂,很多通信卫星就是因为燃料系统发生故障而一命呜呼的。

眼下,美国波音公司就推出了这么一种卫星,名叫BS-702SP。这种卫星平台衍生自著名的BS-702重型卫星平台,但降低了有效载荷功率,用来适应那些不需要重型卫星的客户。

应该说,波音公司的这个创举,出乎业内很多专家的预料。2012年一季度,波音公司获得了亚洲广播卫星公司和墨西哥卫星公司总计4亿美元的两颗卫星合同,这是人类航天史上第一批全电推进的静止轨道商业通信卫星。

全电推进通信卫星采用重量较小的氙离子推力器,而非传统化学燃料推力器将卫星送入静止轨道。这两颗卫星的有效载荷搭载能力都达到了4000千克级传统卫星的水平,但其实际发射重量不超过2000千克,也就是降低了一半。显然,这可以大幅度削减发射费用,节省幅度可能达到一亿美元之多。除了降低重量外,全电推进卫星也为增加有效载荷容量、提高卫星性能提供了机会。BS-702SP可以容纳47个工作转发器,卫星可以为转发器提供3千瓦~8千瓦电力,经济效益相当显著。

波音公司指出,BS-702SP可以用世界上各类主流商业运载火箭发射。而为了进一步降低系统费用,亚洲广播卫星公司和墨西哥卫星公司决定向太空探索技术公司采购一枚中型“猎鹰”9火箭的双星发射服务。“猎鹰”9它可以采用5米直径整流罩,同时发射两颗702SP卫星。

欧洲的阿里安公司也许同样会欢迎这种新技术。现在的阿里安-5火箭可以同时发射一大一中两颗商业卫星。如果用来发射702SP这种轻型卫星,其可以搭配一颗更大的卫星作为主有效载荷,但不能超过其9000千克的最大发射能力。

传统的推力器是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。而电推进器所喷出的是一束带电粒子或是离子。它根据霍尔效应原理工作,因其工作原理,也有人称它为离子推进器、电火箭发动机、霍尔推力器,等等。目前的电推力器还不能实现很高推力,例如“美军先进极高频卫星”-1(AEHF-1)卫星上的电推力器,其推力只有0.22牛顿。但它所需要的燃料要比普通火箭少得多,而且连续工作数千小时。

由于电推力器重量、体积小、可以长期工作,已经在很多卫星上得到了应用,主要是用于轨道位置保持。波音公司所交付的军用和商业卫星中,已有18颗采用了这种技术。不过目前为止,还没有那颗现役卫星是采用电推力器作为远地点发动机的,技术还从来没有用于把卫星从转移轨道抬升到静止轨道的记录,除了发生故障的时候。

例如,美国空军的AEHF-1和欧洲航天局的“阿特米斯”数据中继卫星都发生了主推进系统故障,此后被迫用电推力器慢慢进入最终轨道。

AEHF-1的故事充分反映了电推力器在通信卫星上应用的巨大价值。2010年8月15日,AEHF-1发射后进入转移轨道,但远地点发动机几次点火失败。美国空军与波音公司确认,远地点发动机的推进剂泄漏了,再一次点火可能会引起爆炸。

8月21日,美国空军和波音公司的资深专家汇集一堂,制定了一个4阶段计划,用两个较小发动机——肼推力器(REA)和推进力约为0.22牛顿的小型氙燃料霍尔电推力器把卫星送入静止轨道。

到2010年9月22日,卫星在肼推力器推动下,到达了近地点高度4666km的轨道。自2010年10月开始,HCT每天点火10个~12个小时。卫星由电推力器慢慢地向上抬升。到10月24日,卫星终于到达了预定的圆轨道。其间,星上的肼和氙燃料消耗很有限,卫星还可以保有其14年的设计寿命。而且,梅登的小组在抢救的过程中掌握了不少技巧。“当我们将卫星交付运营者的时候,将演示如何有效使用这个系统,确保卫星获得至少14年的寿命。”

当然,电推力器最著名的冒险发生在日本的“隼鸟”号小行星探测器上。这颗探测器在星上大量推进和控制部件发生故障的情况下,依靠3台氙离子推力器,长途旅行60亿千米,终于在2010年把行星采样舱送回了地球。

不过事情也有不利的一面。当今的多数商业卫星都能在发射后的几周内进入静止轨道位置,开始挣钱。但全电推进卫星的发动机推力小,因此要用很长时间——最长可能是6个月——机动到自己的轨道位置,这段时间里卫星是不能赚钱的。

在这个问题上,大型运营商和小型运营商的处境完全不同。大型运营商已经建立起稳定的现金流,可以用比较长的时间来规划星群建设和更新工作。世界第二大卫星运营商SES公司首席执行官罗曼·保赫说:“对拥有大规模卫星群的企业来说,必须提前几年就策划卫星更新工作,以适应全电推进卫星入轨所需要的几个月时间。”该公司考虑在2013年采购一颗全电推进卫星。

但对小企业来说,在等待卫星入轨的日子里,他们是净亏损的。即使每颗卫星只卖两亿美元,用“猎鹰”9火箭双星发射的单价只要3000万美元,那么2.3亿美元融资在半年中所可能产生的利息,也是个很惊人的数字。

静止轨道卫星的轨道倾角是0,但多数发射场所发射卫星的同步转移轨道都有一定的倾角。譬如中国西昌卫星发射中心地处北纬28度,所发射卫星的同步转移轨道一般存在一个25度左右的倾角。为了把这个倾角修正为0,需要消耗大量的燃料。我们假设一颗卫星运行在倾角25度、高度35800千米的非静止地球同步轨道,如果想把这个25度消除掉,就需要付出将近1300米/秒的速度增量,代价是很大的。理论上说,如果发射场就在赤道上,那么火箭就可以径直向东飞行,把卫星放到一个倾角为零的轨道上。但多数航天国家因为地理位置问题,无法把发射场直接放在赤道上,因此只能选择尽量靠近赤道的位置。欧洲航天局的圭亚那航天中心是世界上最靠近赤道的发射场,纬度只有5°14′,长期以来享有独特优势。从法国图卢兹——阿里安火箭的制造地——到地球静止轨道的“倾角”是靠海运来消除的,成本非常低。

不过卫星应用全电推技术后,这种优势就不存在了。在轻型氙燃料的支持下,全电卫星不需要消耗太多燃料就可以很轻易地穿越从其发射场到赤道的距离,譬如从拜科努尔或卡纳维拉尔角到赤道。拜科努尔的纬度是北纬46度,在世界主要的静止轨道卫星发射场中最为不利。而卡角位于北纬28度,和西昌基本相同,不如圭亚那。但全电推卫星就会消除这个不足,美国制造的卫星在肯尼迪中心发射更加便宜,不需要再漂洋过海去圭亚那了。

电推进卫星的出现,同样会影响未来的火箭发展计划,预示了阿里安火箭的未来体系结构。欧洲国家政府计划在2012年决定火箭产品线的不同研发路径:是选择研发一种运载能力更强的阿里安-5改型,还是设计一种模块化的下一代运载火箭。而全电推进商业卫星产品线很显然更青睐后一种选择。

当前,波音公司是世界上唯一拥有可供货产品线的全电推进卫星制造商。而阿斯特里姆公司总裁爱沃特·杜多科表示,该公司正在研究全电推进卫星。作为近年来在商业卫星市场上最为活跃的空间系统劳拉公司,其总裁约翰-塞里也表示,该公司将在一年内推出可供销售的“高效能”全电推进卫星产品。

卫星制造业的另一些行业领袖,诸如泰雷斯·可莱尼亚公司总裁雷纳德-塞兹奈克、洛马公司商业航天系统部副总裁约瑟夫·里克尔斯表示,他们对这项技术有兴趣,但是要达到波音的售价是有难度的。

辛普森说,702SP可以看做是一个“孵化器”,波音希望所有卫星平台都向这个方向发展。最终,这将是一个从美国空军和保密卫星计划中获得更多政府合同的机会。

美国航天在过去20年里一直存在问题,主要是发射费用高、卫星出口管制严。但随着“猎鹰”系列火箭的服役和全电推卫星的出现,让人们看到了美国在航天上的强大实力正在转化为商业竞争力。其他国家的卫星制造商们如果不迎头赶上,很可能又要被美国甩开一代。挑战是严峻的。

欧洲政府官员称,他们决不甘心让波音空间与情报系统公司在全电推进商业卫星领域永久占据领先地位。波音3月份签下了为亚洲和墨西哥两家卫星运营商建造4颗全电推进商业通信卫星的合同,每颗的造价略低于1亿美元。这些卫星的特点是不仅将像许多商业卫星已在做的那样利用电推进来进行定点后的位置保持,还将利用电推进来进行星箭分离后的轨道提升。如此以来,发射质量通常为4000千克的6千瓦功率卫星重量将降至约2000千克,而这意味着它们可用太空探索技术公司在研的“猎鹰”9火箭以一箭双星方式发射。

欧洲政府官员明确表示,他们已认识到波音这笔交易所带来的竞争威胁,不会对事态进展无动于衷。欧空局会在11月份决定未来航天投资方向的成员国政府会议上请求各国为进一步发展电推进技术出资。几个成员国政府多年来已开展了电推进技术投资,希望以此刺激其国内工业基础。这些投资形成了一些有竞争力的设计,已用于不同的政府和商业任务,包括欧空局的SMART探月卫星和“阿蒂米斯”技术验证卫星。“阿蒂米斯”卫星还在常规推进剂系统失效后因装有电推力器而得到了成功抢救。最近,美国空军的“先进极高频卫星”-1(AEHF-1)保密通信卫星在出现类似故障后抢救成功,而这一定程度上也要归功于电推进的使用。阿斯特里姆卫星公司已在所造的6颗商业通信卫星上采用了电推力器,但只用于轨道控制。(江山)

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